(57)【要約】【課題】高分子粘弾性体の粘性や弾性の変化を、微少量の試料で、連続的に、しかも温度変化や圧力変化する条件下で、できれは使い捨てにできる大きさや構成材料やコストを満足する粘弾性センサを実現したい。【解決手段】小形化を目指すために、すべり波振動子の液体中での共振特性が粘弾性に依存することを利用する。測定装置の小形化のためには、振動素子と液体を入れる容器との一体化を提案した。液体中でのすべり波は、粘度によって伝搬速度や減衰定数が異なるが、ＭＨｚ帯では、数〜数十μ程度でも大きく減衰するので、小形化のためには、すべり波振動子を用いるのが有利である。なお、測定に必要な量は、振動子表面が数波長程度の厚さで覆われる程度の容器で十分である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
すべり波振動子を用いた粘弾性センサであって、振動素子と液体を入れる容器とを一体とした構造。
【請求項２】
請求項１のセンサであって、振動素子としてストリップ形のエネルギー閉じ込め振動子を用いたもの
【請求項３】
請求項１〜２のセンサであって、振動素子としてニオブ酸リチュームまたはタンタル酸リチューム単結晶を用いたもの
【請求項４】
請求項１〜３のセンサであって、複数個の液体容器と振動素子との組み合わせを一体としたもの
【請求項５】
請求項１〜４のセンサであって、温度による粘弾性変化を測定するために液体容器が耐熱性または耐寒性を有するもの
【請求項６】
請求項１〜５のセンサであって、容器、振動子、液体残滓を使い捨てとするために鉛、カドミューム、水銀などの人畜に有害な物質を含まないセンサ。
【請求項７】
静的な方法で測定した粘度が、数桁変化するような、高分子材料の状態変化を連続的に測定する高周波振動子センサ
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
理想的な液体には粘性がないとみなされる。しかし、一般の液体には粘性がある。さらに高分子液体は粘弾性体とみなされることが多い。この粘弾性の測定は液体の物性を評価する手段として、利用されている。接着材や印刷インクや塗装材など利用時の粘度制御、樹脂モールドや化学反応なとのプロセスにおける流動制御、エンジンなどの潤滑のために、粘弾性特性は重要である。特に、高分子材料は、測定する温度や周波数で特性が変化する。液体の粘弾性特性の手軽な評価が必要な分野で、本発明が役立つだろう。
【背景技術】
【０００２】
液体の粘性は、図1に示すような円筒や回転式の粘度計で測定されることが多い。この他、非特許文献１に示すように、超音波振動子を利用する方法などがあるが、いずれも比較的大型の装置と高価な浸漬プローブが必要である。一方、ゴムなどの粘弾性体特性の一般的な測定は、一定の圧力をプローブに印加し、そのときの変位をマイクロメータで測定する方法である。この測定法も、大量の弾性体とその粘弾性の大きさに対応した特殊なプローブを必要としていた。
【非特許文献１】根岸勝雄、“振動で粘度を計る”、１９９５年、超音波テクノ、 ＶＯＬ．７、ＮＯ．２、ｐ．１５−１８
【非特許文献２】Ｗ．Ｐ．Ｍａｓｏｎ、Ｍ．Ｈｉｌｌ、“Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ  ａｎｄ  Ｓｈｅａｒ  Ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ  ｏｆ  Ｌｉｑｕｉｄｓ  ｂｙ  Ｍｅａｎｓ  ｏｆ  ａ  Ｔｏｒｓｉｏｎａｌｌｙ  Ｖｉｂａｔｉｎｇ  Ｃｒｙｓｔａｌ”、１９４７年、Ｔｒａｎｓ．  ＡＳＭＥ、ｐ．３５９−３７０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
高分子粘弾性体の粘性や弾性の変化を、少量の試料で、連続的に、しかも温度変化や圧力変化する条件下で、できれは使い捨てにできる大きさや構成材料やコストを満足する粘弾性センサを実現したい。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
粘性のあるニュートン流体中では、粘度と密度によって決まる速度と減衰定数を有するすべり波が存在できる。高分子では、粘性と弾性が混在した粘弾性体として扱われる。弾性波、とくにすべり波を用いることによって、それらの物性が測定できることは公知である（非特許文献２）。上記の課題を解決するために提案した手段を説明するに当たって、以下の箇条書きとした。
（１）小形化を目指すために、弾性振動子の液体中での共振特性が粘弾性に依存することを利用する。
（２）測定装置の小形化のためには、振動子と液体を入れる容器との一体化を提案した。
（３）小形化のためには、振動子の小形化が必要であり、たわみ振動子か、高周波厚みすべり波振動子が有利である。
（４）低周波で小型化が可能なたわみ振動子は、液体中に粗密波も発生し、小形容器中での音波反射などの影響を受けやすい。ここでは、高周波厚みすべり波振動子を取り上げる。
（５）液体中でのすべり波は、粘度によって伝搬速度や減衰定数が異なるが、ＭＨｚ帯では、数〜数十μ程度でも大きく減衰するので、小形化のためには、すべり波振動子を用いるのが有利である。なお、測定に必要な量は、振動子表面が数波長程度の厚さで覆われる程度で十分である。
（６）ＭＨｚ帯のすべり波振動子は、一般には振動子周辺の影響をさけるために、円板形などの形状が多い。小形化のためには、振動方向にそって側面を形成し、表裏にすべり波を伝搬させるストリップ形厚みすべり波振動子が有利である。
（７）特にタンタル酸リチューム単結晶またはニオブ酸リチューム単結晶単結晶を用いたストリップ形厚みすべり振動子は、電気機械結合係数が大きく、密度も高く、すべり波音速も早いであり、ＭＨｚ帯で高粘度の粘弾性体用として有利である。
（８）液体に浸漬させたとき、上下面の振動面のみで液体が振動子に触れるように、振動子端面を樹脂または粘弾性体で被覆する構造。
（９）ストリップ形厚みすべり振動子は、矩形中央部にのみ弾性振動エネルギーが集中しており、端部を固定することが可能である。
（１０）なお、導電性の液体を想定すると、液体容器内で液体に触れる部分は、全体にＳｉＯ２など絶縁皮膜を形成しておいてもよい。
（１１）振動子が収納され、液体を注入する容器には、共振特性を測定できる端子を形成し、振動子電極をそれに接続する。
（１２）温度特性などを比較するために、複数個の振動子を並べ、一方のみに液体を注入すれば、両者の共振特性の差から、振動子の固有の温度特性などをキャンセルできる。
（１３）なお、振動子と容器との一体化したセンサは、そいのまま温度変化や圧力変化にさらして、液体の粘弾性変化を測定できる。
（１４）なお、大量の液体に容器と振動子とが一体になったものを浸漬させるために、容器は保護的な機能を持たせ、液体の流入、流出が容易な構成もある。
（１５）高分子などの粘弾性体は振動子との融着や接着や汚染などのために、センサの再利用は、一般に有機溶剤による洗浄が必要となる。これをさけるためのにも、振動子と容器の一体化は有利である。
（１６）なお、センサ材料や容器材料を人畜無害なものを選べは、使い捨てセンサとできる。
【発明の効果】
【０００５】
発明の効果を以下に箇条書きとして述べる。
（１）微小量で、粘弾性を測定できる。
（２）振動子の周辺条件を一定にできる。
（３）温度特性や圧力変化特性の測定において、既存の高温槽や圧力容器を利用できる。ただし、インピーダンス測定用の端子は必要である。
（４）測定対象液体を入れる容器の洗浄が不要になる。
（５）振動子と容器を一体化センサは、使い捨てが可能となる。使用現場での利点ははかりしれない。
（６）比較用振動子を並置する場合には、一方のみの振動子を液体に浸し他方は空中に放置すれば、振動子特性の温度補償などが有利である。
（７）複数個の振動子を並置する場合に、異なる特性の振動子を用いれば、広い範囲の粘弾性を評価することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
発明を実施するための最良の形態を説明するにあたり、提案特許が含むべき事項について、箇条書きとして述べる。
（１）振動波動としては、すべり波を選ぶ。振動の周波数としては、ＭＨｚ帯を選ぶ。この範囲では、液体中での波長は、数百ミクロンメートル以下である。減衰距離も波長と同程度である。
（２）すべり波振動子としては、タンタル酸リチュームやニオブ酸リチュームなどのストリップ形振動子をえらぶ。
（３）直方体の空間が空いた樹脂ケースに、インサートモールドで端子電極を形成しておき、それに振動子を搭載する。
（４）このケース中に液体をスポイトなどで注入する。
（５）多量の液体にセンサを浸漬する場合には、振動子を保護すると同時に液体が流入しやすいように、底が抜けているような形にする。
【実施例１】
【０００７】
具体的な検討内容をわかりやすくい記述するために、項目ごとに記述し、最後に特長などを述べる。
（１）振動波動の種類と周波数；４ＭＨｚすべり波
（２）振動子の材料と振動モード；タンタル酸リチューム（ＬｉＴａＯ３）ストリップ形振動子。
三方晶系結晶。融点は約１６５０℃で熱的には極めて安定である。強誘電体で圧電性と焦電性が大きい。キュリー温度は化学量論比のもので６６５℃である。化学的にも安定。フッ化水素酸にはわずかに溶ける。ＬｉＴａＯ３単結晶は圧電現象を示す。
図２は、実験に利用した圧電横波（すべり波）振動子で分極方向はz方向、電界は上下方向、粒子変位は面に平行（図の矢印方向、側面にも平行）、横波は上下面を伝搬して共振する。
（３）４ＭＨｚ振動子の形状；図３にＬｉＴａＯ３ストリップ型すべり波振動子（４ＭＨｚ）の構造図と形状を示した。
この振動子は、Ｘ板ＬｉＴａＯ３の単結晶のすべりモードを使用している。電極材料は、（ＮｉＣｒ）−Ａｕ薄膜電極である。構造は、ストリップ型である。ストリップ型とは、粒子変位の方向がｘ方向であり、振動子の側面（ｙ面）での反射が特性劣化（モード変換）を生じない構造である。
ＬｉＴａＯ３の密度は、７．４５×１０３ｋｇ／ｍ３で、すべり波の音速が４３４０ｍ／ｓであり、機械的な固有インピーダンスが３．３２×１０７ｋｇ／（ｓ・ｍ２）である。振動子としての電気機械結合係数Ｋ２は４７％である。ＡＴ−カット水晶振動子と比較すると、機械的な固有インピーダンスが約３倍、電気機械結合係数が約１０倍である。しかし、欠点としては、温度特性が水晶振動子に比べると悪いなどの点もある。
（４）液体容器の構造；図４に、測定対象液体を入れる容器を示す。振動子の周りを１ｍｍの間隙となるように、容器形状を定める。間隙が狭いと、液体が均一に流れ込みにくい。内部の液体が占める体積はおおよそ０．１ｃｃ程度となる。なお、ケース内には電極端子があり、その上に、上記の振動子がはんだ付けまたは、導電接着材で固定・接続される。容器外部には、外部電極がある。
（５）センサとしての使い方；センサとしての使用方法は、振動子の空気中の共振特性と測定対象液体中の共振特性を測定する。以下に使用例を示す。
典型的な純粋物質であるグリセリンなどでは、ほぼ、ニュートン理論にしたがった共振特性変化を観測することができるる。測定し結果例を、図５に示す。グリセリン中での測定値とニュートン流体理論による計算値を振動子の共振周波数でのコンダクタンス特性で比較した。
次に、高分子粘弾性体であるシリコンオイルの測定結果を示す。図６と図７とは、シリコンオイルの静的な粘度が５桁も異なる試料に対する４ＭＨｚすべり波振動子の共振特性の測定結果を、高分子粘弾性体に対するマクスウェルモデルを用いた、非特許文献２に示す式から求めた粘性ηと弾性Ｃｓの値を示した。５桁におよぶ静的な大きな粘度変化を、一つのセンサで変化を観測できることになる。
化学反応による大幅な粘弾性変化の測定例として、エポキシ系接着剤の室温での硬化過程を粘性ηと弾性Ｃｓの変化として測定した。図８と９に上記のηとＣｓの時間変化を示した。接着材の長時間にわたる特性変化を連続的に観測できた。
温度特性の測定例として、身近な高分子粘弾性体である自動車用トルコンオイル（ＡＴＦタイプＸ）、自動車用エンジンオイル（１５Ｗ−１５）、エレクトロンワックス、チョコレートを取り上げ、１５０℃から−５０℃まで温度を下げた時の温度特性を観測した。図１０と１１に温度と２５℃を基準とした共振周波数変化率、共振抵抗それぞれの関係を示した。次に、常温の特性は類似した自動車用エンジンオイル５種類の温度特性を観測した。液体の相変化などの粘弾性の大きな温度変化を測定できた。
図１２と１３に温度と２５℃を基準とした共振周波数変化率、共振抵抗それぞれの関係を示した。図１４と１５には、同じ自動車用エンジンオイルの使用前と使用後の２５℃を基準とした共振周波数変化率、共振抵抗の関係を示した。低温度では、常温では区別できなかった差異を、本センサによって区別できた。
【実施例２】
【０００８】
振動子の材料として、水晶のＡＴ―カットすべり波振動子を用いたもの。およびセラミックすべり波振動子を用いたものが考えられる。
４ＭＨｚの場合の形状を下記の表１に、実施例１のタンタル酸リチュームと比較して示した。なお、シリコンオンル中での振動子特性も、図１６と１７に比較して示した。水のような粘度の小さな液体でも、水晶は敏感に反応するので、低粘度の液体用センサには有利である。セラミックスは、タンタル酸リチュームと類似の特性を示す。価格は安価な特長があるが、材料のばらつきや温度特性および気孔の存在による特性のばらつきなどで、タンタル酸リチュームに劣る。
【０００９】
【表１】
2005265576.tif 000002
【実施例３】
【００１０】
複数個の振動子を用いる構成例を図１８に示す。同タイプの振動子を２つ並べ、一方の容器は機密封じ、他方にのみ液体が注入できる構造とする。両者の共振周波数の差などを利用すれば、振動子単体の温度補償が可能になる。
【実施例４】
【００１１】
大量の液体中に、センサを浸漬させる場合、振動子を損傷せず、測定におけるる周囲の影響を削除するために、図１９に示すように、実施例１の容器の底を抜いた形を用いる。なお、液体に浸漬しやすい形への修正は、対象物によって異なるだろう。
【産業上の利用可能性】
【００１２】
接着材や印刷インクや塗装材など利用時の粘度制御、樹脂モールドや化学反応なとのプロセスにおける流動制御、エンジンなどの潤滑のために、粘弾性特性は重要である。特に、高分子材料は、測定する温度や周波数で特性が変化する。液体の粘弾性特性を手軽な評価が必要な分野で、本発明が役立つだろう。特に、光通信用部品の組み立てや振動部品の支持固定などに使われるような接着材は、粘度管理が厳しいが、高価なので、微小量での粘度測定が求められている。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】回転式粘度計とその構造
【図２】すべり波振動子の電極と変位
【図３】ＬｉＴａＯ３ストリップ型すべり波振動子（４ＭＨｚ）の構造図と形状
【図４】振動素子と測定対象液体を入れる容器
【図５】グリセリン中のコンダクタンス特性
【図６】静的な粘度に対する測定値より求めたηの関係
【図７】静的な粘度に対する測定値より求めたＣｓの関係
【図８】硬化によるηの時間変化
【図９】硬化によるＣｓの時間変化
【図１０】温度と共振周波数変化率の関係
【図１１】温度と共振抵抗の関係
【図１２】温度と共振周波数変化率の関係
【図１３】温度と共振抵抗の関係
【図１４】温度と共振周波数変化率の関係
【図１５】温度と共振抵抗の関係
【図１６】各振動子における粘度と共振周波数変化率の関係
【図１７】各振動子における粘度と共振抵抗の関係
【図１８】複数個の振動子を用いる場合の構成例
【図１９】大量の液体中にセンサを浸漬させる場合の構成例
【符号の説明】
【００１４】
（ａ）回転式粘度計
（ｂ）回転式粘度計構造略図
（ｃ）上面からの図
（ｄ）側面からの図
（ｅ）上面からの図
（ｆ）側面からの図
（ｇ）上面からの図
（ｈ）側面からの図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2005265576.tif 000016
【図１５】
2005265576.tif 000017
【図１６】
2005265576.tif 000018
【図１７】
2005265576.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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